JP2004327083A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低温時において燃料電池を所望の動作温度まで効率的に加熱することができるとともに、安価で長寿命化を容易に達成することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供する。
【解決手段】循環路２４を介して燃料電池スタック２２に供給される冷媒の温度を温度センサ４４によって検出するとともに、ポンプ２８の負荷をポンプ負荷センサ５４によって検出し、温度を規定値以下の範囲として燃焼器３６により冷媒を加熱し、負荷を規定値以下の範囲としてポンプ２８により冷媒の流量を増加するように制御する。
【選択図】図１
【解決手段】循環路２４を介して燃料電池スタック２２に供給される冷媒の温度を温度センサ４４によって検出するとともに、ポンプ２８の負荷をポンプ負荷センサ５４によって検出し、温度を規定値以下の範囲として燃焼器３６により冷媒を加熱し、負荷を規定値以下の範囲としてポンプ２８により冷媒の流量を増加するように制御する。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池システムおよびその制御方法に関し、より詳細には、低温時において燃料電池を所望の動作温度まで迅速に加熱して起動を短時間で行うことのできる燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体をセパレータで挟持して構成されている。この種の燃料電池は、所望の電圧を取り出すため、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層した燃料電池スタックとして使用される。
【０００３】
燃料電池では、アノード電極に対して水素等の燃料ガスを供給する一方、カソード電極に対して酸素を含む空気等の酸化剤ガスを供給し、これらのガスを電気化学的に反応させることで電気エネルギが得られる。この場合、反応に際して生成される水が燃料ガスや酸化剤ガスの通路内で結露すると、所望の量のガスが燃料電池に供給されないため、発電効率が低下してしまう。また、通路内に水が残存した状態で燃料電池を含むシステムが停止された場合において、温度が氷点下まで低下すると、残存する水が凍結して通路を閉塞してしまうため、燃料電池の起動自体が困難な状態となる。
【０００４】
そこで、例えば、燃料電池を含むシステムを図７に示すように構成した従来技術が提案されている（特許文献１参照）。この従来技術では、水素ガスＨ２および空気Ａｉｒが供給される燃料電池スタック２に対して、燃料電池スタック２の温度を調整するための熱交換媒体である不凍液を循環供給する温度調整回路４を接続している。
【０００５】
温度調整回路４は、不凍液を循環させるポンプ６を有する。不凍液は、ポンプ６によって燃焼器８を備えた熱交換器１０に供給され、燃焼器８で水素ガスＨ２および空気Ａｉｒを燃焼させて得られる熱により加熱された後、燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２は、加熱された不凍液により通路内に残存する水が解凍されるとともに所望の動作温度まで加熱され、発電が可能な状態となる。
【０００６】
なお、燃料電池スタック２を所望の動作温度（例えば、固体高分子型燃料電池においては、８０℃程度）まで加熱するシステム起動時においては、燃料電池スタック２に供給された不凍液がバイパス通路１２を介して循環される。一方、燃料電池スタック２が所望の動作温度まで加熱された後、燃料電池スタック２による発電が開始されると、発電により発生する熱によって燃料電池スタック２の温度が上昇するため、バイパス通路１２のバルブ１４を閉塞し、熱交換器１０による加熱を中止し、不凍液をラジエータ１６を介して循環させることにより、燃料電池スタック２を所定の動作温度に維持する制御が行われる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１６４２３３号公報（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の従来技術では、燃料電池スタック２の加熱時において不凍液の温度制御を行っていないため、例えば、不凍液の熱交換器１０への供給量に対して、燃焼器８に供給される水素ガスＨ２および空気Ａｉｒの供給量が多すぎると、燃焼器８で発生した熱によって不凍液の温度が過度に上昇してしまうおそれがある。
【０００９】
不凍液は、ある温度以上になると、熱分解してイオンが発生し、導電率が上昇するため、生成された電流の一部が不凍液側に流れると、利用可能な電力が低下してしまうおそれがある。図８は、不凍液の温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）と導電率との関係を示したもので、不凍液が温度Ｔ３まで加熱された場合、加熱時間の経過に従って導電率が上昇する傾向が現れている。
【００１０】
このような問題を回避するため、例えば、不凍液の通路内にイオン交換樹脂を配設し、発生したイオンをイオン交換樹脂によって吸着分離することにより、不凍液の導電率の上昇を回避することが考えられる。しかしながら、イオン交換樹脂の寿命の関係から、定期的なメンテナンスが必要であり、コストアップとなる不具合がある。
【００１１】
一方、燃焼器８に対する水素ガスＨ２および空気Ａｉｒの供給量を予め制限し、不凍液が過剰に加熱されないようにすることも可能である。しかしながら、反応ガスの供給量を制限すると、不凍液の加熱に要する時間が長くなるため、燃料電池スタック２が所望の動作温度となるまでに長時間を要するという問題が発生する。
【００１２】
また、燃料電池スタック２に供給する不凍液の量を多く設定することにより、不凍液の過剰な加熱を回避するとともに、燃料電池スタック２を所望の動作温度まで迅速に加熱することも考えられる。しかしながら、不凍液は、図９に示すように、温度が低くなると、点線で示す水の場合と比較して粘性係数が著しく上昇する特性を有しているため、例えば、低温状態において大量の不凍液を燃料電池スタック２に供給しようとすると、ポンプ６に過大な負荷が掛かってしまう。従って、ポンプ６の寿命が短縮されてしまう問題がある。なお、ポンプ６を過大な負荷で運転するには、多大な消費電力が必要であり、特に、このような燃料電池スタック２を自動車に搭載する場合、バッテリに蓄電した電力を用いて暖機運転を十分に行うことができなくなってしまうおそれがある。
【００１３】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、低温時において燃料電池を所望の動作温度まで効率的に加熱することができるとともに、安価で長寿命化を容易に達成することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の温度を調整する熱交換媒体が循環する循環路と、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を循環させるポンプと、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を加熱する加熱部と、
前記熱交換媒体の温度を検出する温度検出部と、
前記ポンプの負荷を検出する負荷検出部と、
前記温度を規定値以下の範囲とし、前記加熱部を制御して前記熱交換媒体を加熱させる一方、前記負荷を規定値以下の範囲とし、前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加させる制御部と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項１記載の本発明では、特に低温時において、負荷検出部によりポンプの負荷を検出し、負荷を規定値以下の範囲としてポンプを制御し、熱交換媒体の流量を増加させ、循環路から加熱部を介して燃料電池に供給する。一方、温度検出部により熱交換媒体の温度を検出し、温度を規定値以下の範囲として加熱部を制御し、熱交換媒体を加熱する。この場合、ポンプが過負荷状態とならない範囲で、且つ、熱交換媒体が過剰に加熱されない範囲において、十分に加熱された十分な量の熱交換媒体が燃料電池に供給され、燃料電池が効率的に加熱されて動作可能な状態となる。
【００１６】
請求項２記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の温度を調整する熱交換媒体が循環する循環路と、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を循環させるポンプと、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を加熱する加熱部と、
前記熱交換媒体の導電率を検出する導電率検出部と、
前記ポンプの負荷を検出する負荷検出部と、
前記導電率を規定値以下の範囲とし、前記加熱部を制御して前記熱交換媒体を加熱させる一方、前記負荷を規定値以下の範囲とし、前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加させる制御部と、
を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の本発明では、請求項１における温度検出部に代えて導電率検出部を用い、熱交換媒体の導電率を導電率検出部により検出し、導電率を規定値以下の範囲として加熱部を制御する。この場合、検出した導電率から熱交換媒体が過剰に加熱されているか否かを判断し、導電率に基づいて加熱部を制御し、熱交換媒体を十分に加熱して燃料電池に供給することができる。
【００１８】
請求項３記載の本発明は、請求項１または２記載のシステムにおいて、
前記加熱部は、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを燃焼させることで前記熱交換媒体を加熱する燃焼器を有することを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の本発明では、燃料電池に供給する反応ガスを用いて熱交換媒体を加熱することができる。
【００２０】
請求項４記載の本発明は、請求項１または２記載のシステムにおいて、
前記加熱部は、前記熱交換媒体を加熱する電気ヒータを有することを特徴とする。
【００２１】
請求項５記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池に対し、熱交換媒体を循環させて温度調整を行う燃料電池システムの制御方法において、
前記熱交換媒体の温度を検出するステップと、
前記熱交換媒体を前記燃料電池に供給するポンプの負荷を検出するステップと、
前記温度を規定値以下の範囲として前記熱交換媒体を加熱するステップと、
前記負荷を規定値以下の範囲として前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加するステップと、
からなることを特徴とする。
【００２２】
請求項６記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池に対し、熱交換媒体を循環させて温度調整を行う燃料電池システムの制御方法において、
前記熱交換媒体の導電率を検出するステップと、
前記熱交換媒体を前記燃料電池に供給するポンプの負荷を検出するステップと、
前記導電率を規定値以下の範囲として前記熱交換媒体を加熱するステップと、
前記負荷を規定値以下の範囲とし、前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加するステップと、
からなることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、第１実施形態の燃料電池システム２０を示す。なお、図１において、二重線で示すラインは、流体の流通路を表し、一重線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。
【００２４】
燃料電池システム２０は、燃料ガスである水素ガスＨ２と酸化剤ガスであるエアＡｉｒとが供給されることで負荷電流を生成する燃料電池スタック２２を備える。燃料電池スタック２２には、水素ガスＨ２とエアＡｉｒとの反応によって発生した熱により加熱された燃料電池スタック２２を冷却する一方、低温時において燃料電池スタック２２を所望の動作温度まで加熱するための冷媒（熱交換媒体）が循環する循環路２４が接続される。
【００２５】
循環路２４には、燃料電池スタック２２の出口側に配設され、燃料電池スタック２２で加熱された冷媒を冷却するラジエータ２６と、冷媒を循環させるポンプ２８と、燃料電池スタック２２の入口側に配設され、低温時において冷媒を加熱する熱交換器３０とが接続される。また、ラジエータ２６には、バルブ３２を有し、低温時において冷媒をバイパスさせるバイパス路３４が並列に接続される。
【００２６】
熱交換器３０には、燃焼器３６（加熱部）が一体的に配設される。燃焼器３６は、バルブ３８を介して供給される所定量の水素ガスＨ２と、コンプレッサ４０により供給される所定量のエアＡｉｒとを混合して燃焼させ、その反応熱により熱交換器３０を介して冷媒を加熱する。なお、燃焼器３６に供給する水素ガスＨ２およびエアＡｉｒは、燃料電池スタック２２に供給する水素ガスＨ２およびエアＡｉｒをそのまま流用することができる。
【００２７】
燃料電池スタック２２には、スタック温度を検出する温度センサ４２が接続される。また、循環路２４の燃料電池スタック２２に対する冷媒の入口側には、冷媒温度を検出する温度センサ４４（温度検出部）が接続される。
【００２８】
ポンプ２８は、ポンプ制御部４６によって回転数が制御され、バルブ３２は、バルブ制御部４８によって開閉制御され、バルブ３８は、バルブ制御部５０によって開度が制御され、コンプレッサ４０は、コンプレッサ制御部５２によって回転数が制御される。ポンプ制御部４６、バルブ制御部４８、５０およびコンプレッサ制御部５２は、冷媒供給制御部５８（制御部）によって制御される。
【００２９】
また、ポンプ２８の負荷は、ポンプ負荷センサ５４（負荷検出部）により、ポンプ制御部４６からポンプ２８に供給される電流値またはポンプ２８の回転トルクとして検出され、その検出値が冷媒供給制御部５８に供給される。コンプレッサ４０の負荷は、コンプレッサ負荷センサ５６により、コンプレッサ制御部５２からコンプレッサ４０に供給される電流値またはコンプレッサ４０の回転トルクとして検出され、その検出値が冷媒供給制御部５８に供給される。さらに、冷媒供給制御部５８には、温度センサ４２によって検出されたスタック温度と、温度センサ４４によって検出された冷媒温度とが供給される。
【００３０】
第１実施形態の燃料電池システム２０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、燃料電池スタック２２を所望の動作温度まで加熱する暖機運転時の動作について、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００３１】
先ず、冷媒供給制御部５８は、温度センサ４２によって検出したスタック温度が所望の動作温度（燃料電池スタック２２が最適な状態で運転できる温度）に達しているか否かを判定する（ステップＳ１）。燃料電池システム２０の環境温度が高く、あるいは、燃料電池スタック２２が既に動作温度以上となっている場合、暖機運転を終了し、燃料電池スタック２２による発電を開始する。なお、燃料電池スタック２２と冷媒との熱交換効率は、極めて高いため、温度センサ４２を燃料電池スタック２２からの冷媒の出口側に設け、冷媒の温度をスタック温度として検出するようにしてもよい。
【００３２】
燃料電池スタック２２による発電は、所望の発電量に応じた水素ガスＨ２およびエアＡｉｒを燃料電池スタック２２に供給することで行われる。この場合、発電に伴って発生した熱は、循環路２４を循環する冷媒によって外部に排出される。すなわち、冷媒供給制御部５８は、バルブ制御部４８および５０を制御してバルブ３２、３８を閉じ、また、コンプレッサ制御部５２を制御してコンプレッサ４０の回転を停止させることにより、バイパス路３４を閉塞するとともに、燃焼器３６による冷媒の加熱を停止する。この状態において、ポンプ制御部４６を制御してポンプ２８を回転させることにより冷媒が循環し、燃料電池スタック２２で発生した熱が冷媒を介してラジエータ２６から外部に排出される。
【００３３】
一方、燃料電池システム２０の環境温度が低く、スタック温度が燃料電池スタック２２の動作温度よりも低い場合、冷媒供給制御部５８は、バルブ制御部４８を制御してバルブ３２を開き、循環路２４をバイパス路３４を経由する経路に設定する。
【００３４】
そして、冷媒供給制御部５８は、コンプレッサ制御部５２を制御して、コンプレッサ４０を始動モード初期値で回転させるとともに、バルブ制御部５０を制御して、バルブ３８をコンプレッサ４０の回転数に応じた開度だけ開成する。また、冷媒供給制御部５８は、ポンプ制御部４６を制御して、ポンプ２８を始動モード初期値で回転させる（ステップＳ２）。この場合、始動モード初期値は、コンプレッサ４０およびポンプ２８に掛かる負荷が最も少ない値に設定されている。従って、例えば、燃料電池システム２０の環境温度が氷点下であり、燃焼器３６内で水が凍結してエアＡｉｒを燃焼器３６に十分供給できない状態であっても、コンプレッサ４０に過負荷が掛かるおそれはない。同様に、冷媒の温度が低いために循環路２４内の冷媒の粘性係数が大きく（図９参照）、流動抵抗が大きい状態であっても、ポンプ２８に過負荷が掛かるおそれはない。
【００３５】
燃焼器３６は、コンプレッサ４０によって供給されたエアＡｉｒと、バルブ３８によって流量が制御されて供給された水素ガスＨ２とを触媒上で燃焼させる。なお、燃焼器３６での反応熱の温度は、エアＡｉｒと水素ガスＨ２との混合比によって決まる。エアＡｉｒの流量に対する水素ガスＨ２の流量が大きいと、反応熱の温度が高くなる。通常、エアＡｉｒ／水素ガスＨ２のモル流量比は、１１〜１７の範囲とし、反応熱の温度が５００〜７００℃程度となるように設定する。
【００３６】
ポンプ２８によって供給された冷媒は、熱交換器３０において燃焼器３６で発生した熱によって加熱され、次いで、燃料電池スタック２２に供給されることにより、燃料電池スタック２２を加熱する。
【００３７】
コンプレッサ負荷センサ５６は、コンプレッサ制御部５２からコンプレッサ４０に供給される電流値またはコンプレッサ４０の回転トルクに基づいて負荷を検出し、冷媒供給制御部５８に供給する。冷媒供給制御部５８は、検出されたコンプレッサ４０の負荷を許容値の上限である規定値と比較し（ステップＳ３）、規定値以下であると判定した場合、コンプレッサ制御部５２を制御し、コンプレッサ４０の回転数を増加させる（ステップＳ４）。また、増加したコンプレッサ４０の回転数に応じたバルブ３８の開度を演算し（ステップＳ５）、バルブ制御部５０を制御し、バルブ３８の開度を増加させる（ステップＳ６）。この結果、コンプレッサ４０の負荷を規定値以下に保持した状態で燃焼器３６にエアＡｉｒおよび水素ガスＨ２が供給され、その反応熱によって冷媒が加熱される。
【００３８】
また、ステップＳ３において、コンプレッサ４０の負荷が規定値を超過していると判定された場合、冷媒供給制御部５８は、バルブ制御部５０を制御してバルブ３８の開度を減少させるとともに（ステップＳ７）、コンプレッサ制御部５２を制御してコンプレッサ４０の回転数を減少させる（ステップＳ８）。この結果、コンプレッサ４０の負荷が規定値以下に維持される。
【００３９】
一方、温度センサ４４は、燃料電池スタック２２に供給される冷媒の温度を検出している。冷媒供給制御部５８は、検出された冷媒の温度を許容値の上限である規定温度（規定値）と比較し（ステップＳ９）、規定温度を超過していると判定された場合、ポンプ負荷センサ５４によって検出されたポンプ２８の負荷を許容値の上限である規定値と比較する（ステップＳ１０）。比較の結果、規定値以下と判定された場合には、ポンプ２８の回転に余裕があるため、ポンプ制御部４６を制御してポンプ２８の回転数を増加させる（ステップＳ１１）。なお、ポンプ２８の回転数を増加させて冷媒の流量を増加させることにより、熱交換器３０における冷媒の加熱が抑制される。
【００４０】
また、ステップＳ１０において、ポンプ２８の負荷が規定値を超過していると判定された場合、冷媒供給制御部５８は、バルブ制御部５０を制御してバルブ３８の開度を減少させるとともに（ステップＳ１２）、コンプレッサ制御部５２を制御してコンプレッサ４０の回転数を減少させる（ステップＳ１３）。この結果、燃焼器３６で生成される反応熱の温度が低下し、冷媒の加熱が抑制される。
【００４１】
次いで、冷媒供給制御部５８は、温度センサ４２によって検出しているスタック温度が所望の動作温度に達しているか否かを判定し（ステップＳ１４）、動作温度以上となっている場合には、コンプレッサ４０の回転を停止させるとともにバルブ３８を閉成する（ステップＳ１５）。この結果、冷媒の加熱が停止され、暖機運転が終了する。そして、燃料電池スタック２２による発電が開始される。
【００４２】
図３は、温度センサ４２によって検出されたスタック温度Ｔ（Ａ）および冷媒流量Ｍ（Ａ）の第１実施形態における時間的変化と、冷媒の加熱制御および流量制御を行わない場合であるスタック温度Ｔ（Ｂ）および冷媒流量Ｍ（Ｂ）の図７に示す従来技術における時間的変化とを比較したものである。また、図４は、暖機運転の開始時におけるスタック温度Ｔ（Ａ）が図３の場合よりも高いときの比較結果である。この場合、第１実施形態では、暖機運転を開始してから時間ｔ１（ｔ２）で所望の動作温度Ｔ０に到達しているの対して、従来技術では所望の動作温度Ｔ０に到達するまでにかなりの時間ｔ１′（ｔ２′）（ｔ１≪ｔ１′、ｔ２≪ｔ２′）を要している。
【００４３】
このように、第１実施形態の燃料電池システム２０では、燃焼器３６に対してエアＡｉｒを供給するコンプレッサ４０や、冷媒を循環させるポンプ２８に過負荷が掛からない範囲で冷媒が効率的に加熱されるため、燃料電池スタック２２の暖機運転を速やかに終了させることができる。
【００４４】
図５は、第２実施形態の燃料電池システム６０を示す。なお、図１に示す第１実施形態の燃料電池システム２０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００４５】
循環路２４には、燃料電池スタック２２の入口側に配設され、低温時において冷媒を加熱する電気ヒータ６２と、燃料電池スタック２２の入口側に配設され、冷媒の導電率を検出する導電率センサ６４（導電率検出部）と、燃料電池スタック２２の出口側に配設され、冷媒の温度を検出する温度センサ６６とが接続される。
【００４６】
冷媒供給制御部６８（制御部）は、バルブ３２を制御するバルブ制御部４８を制御するとともに、ポンプ負荷センサ５４、導電率センサ６４および温度センサ６６による検出値に基づき、ポンプ制御部４６およびヒータ制御部７０を制御する。
【００４７】
次に、第２実施形態の燃料電池システム６０の燃料電池スタック２２を所望の動作温度まで加熱する暖機運転時の動作について、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００４８】
先ず、冷媒供給制御部６８は、温度センサ６６によって検出している冷媒の温度を燃料電池スタック２２のスタック温度と見なし、このスタック温度が所望の動作温度に達しているか否かを判定する（ステップＳ２１）。燃料電池システム６０の環境温度が高く、あるいは、燃料電池スタック２２が既に動作温度以上となっている場合、暖機運転を終了し、燃料電池スタック２２による発電を開始する。
【００４９】
一方、燃料電池システム６０の環境温度が低く、スタック温度が燃料電池スタック２２の動作温度よりも低い場合、冷媒供給制御部６８は、バルブ制御部４８を制御してバルブ３２を開き、循環路２４をバイパス路３４を経由する経路に設定する。そして、冷媒供給制御部６８は、ヒータ制御部７０を制御して、電気ヒータ６２を始動モード初期値で駆動するとともに、ポンプ制御部４６を制御して、ポンプ２８を始動モード初期値で回転させる（ステップＳ２２）。
【００５０】
次いで、冷媒供給制御部６８は、ヒータ制御部７０を制御し、電気ヒータ６２による発熱量を増加させる（ステップＳ２３）。また、冷媒供給制御部６８は、導電率センサ６４により検出した冷媒の導電率を許容値の上限である規定値と比較する（ステップＳ２４）。なお、冷媒の導電率は、図８に示すように、冷媒の温度に依存して変動する物理量であるため、冷媒温度に代えて冷媒の流動性や冷媒の状態を検知することができる。
【００５１】
導電率が規定値を超過していると判定された場合、ポンプ負荷センサ５４によって検出されたポンプ２８の負荷を許容値の上限である規定値と比較する（ステップＳ２５）。比較の結果、規定値以下と判定された場合には、ポンプ２８の回転に余裕があるため、ポンプ制御部４６を制御してポンプ２８の回転数を増加させる（ステップＳ２６）。
【００５２】
また、ステップＳ２５において、ポンプ２８の負荷が規定値を超過していると判定された場合、冷媒供給制御部６８は、ヒータ制御部７０を制御して電気ヒータ６２による発熱量を減少させる（ステップＳ２７）。この結果、冷媒の加熱が抑制される。
【００５３】
次いで、冷媒供給制御部６８は、温度センサ６６によって検出しているスタック温度が所望の動作温度に達しているか否かを判定し（ステップＳ２８）、動作温度以上となっている場合には、電気ヒータ６２の駆動を停止させる（ステップＳ２９）。この結果、冷媒の加熱が停止され、暖機運転が終了する。そして、燃料電池スタック２２による発電が開始可能な状態となる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、熱交換媒体を燃料電池に供給するポンプの負荷を検出し、許容範囲内の負荷でポンプを制御して流量を増加させるとともに、前記熱交換媒体を許容範囲内の温度で加熱して燃料電池に供給することにより、燃料電池を所望の動作温度まで効率的に加熱することができる。従って、特に低温時において、燃料電池を迅速に動作開始させることができる。また、熱交換媒体を循環させるポンプが過負荷状態になることがなく、安価で長寿命化を容易に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池システムの暖機運転のフローチャートである。
【図３】第１実施形態における暖機運転でのスタック温度の時間的変化を従来技術と比較した説明図である。
【図４】暖機運転開始時の温度が図３の場合よりも高い場合におけるスタック温度の時間的変化を従来技術と比較した説明図である。
【図５】第２実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図６】第２実施形態における燃料電池システムの暖機運転のフローチャートである。
【図７】従来技術の燃料電池システムの構成図である。
【図８】不凍液の温度と導電率との関係説明図である。
【図９】不凍液の温度と粘性係数との関係説明図である。
【符号の説明】
２０、６０…燃料電池システム ２２…燃料電池スタック
２４…循環路 ２６…ラジエータ
２８…ポンプ ３０…熱交換器
３２、３８…バルブ ３４…バイパス路
３６…燃焼器 ４０…コンプレッサ
４２、４４、６６…温度センサ ４６…ポンプ制御部
４８、５０…バルブ制御部 ５２…コンプレッサ制御部
５４…ポンプ負荷センサ ５６…コンプレッサ負荷センサ
５８、６８…冷媒供給制御部 ６２…電気ヒータ
６４…導電率センサ ７０…ヒータ制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池システムおよびその制御方法に関し、より詳細には、低温時において燃料電池を所望の動作温度まで迅速に加熱して起動を短時間で行うことのできる燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体をセパレータで挟持して構成されている。この種の燃料電池は、所望の電圧を取り出すため、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層した燃料電池スタックとして使用される。
【０００３】
燃料電池では、アノード電極に対して水素等の燃料ガスを供給する一方、カソード電極に対して酸素を含む空気等の酸化剤ガスを供給し、これらのガスを電気化学的に反応させることで電気エネルギが得られる。この場合、反応に際して生成される水が燃料ガスや酸化剤ガスの通路内で結露すると、所望の量のガスが燃料電池に供給されないため、発電効率が低下してしまう。また、通路内に水が残存した状態で燃料電池を含むシステムが停止された場合において、温度が氷点下まで低下すると、残存する水が凍結して通路を閉塞してしまうため、燃料電池の起動自体が困難な状態となる。
【０００４】
そこで、例えば、燃料電池を含むシステムを図７に示すように構成した従来技術が提案されている（特許文献１参照）。この従来技術では、水素ガスＨ２および空気Ａｉｒが供給される燃料電池スタック２に対して、燃料電池スタック２の温度を調整するための熱交換媒体である不凍液を循環供給する温度調整回路４を接続している。
【０００５】
温度調整回路４は、不凍液を循環させるポンプ６を有する。不凍液は、ポンプ６によって燃焼器８を備えた熱交換器１０に供給され、燃焼器８で水素ガスＨ２および空気Ａｉｒを燃焼させて得られる熱により加熱された後、燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２は、加熱された不凍液により通路内に残存する水が解凍されるとともに所望の動作温度まで加熱され、発電が可能な状態となる。
【０００６】
なお、燃料電池スタック２を所望の動作温度（例えば、固体高分子型燃料電池においては、８０℃程度）まで加熱するシステム起動時においては、燃料電池スタック２に供給された不凍液がバイパス通路１２を介して循環される。一方、燃料電池スタック２が所望の動作温度まで加熱された後、燃料電池スタック２による発電が開始されると、発電により発生する熱によって燃料電池スタック２の温度が上昇するため、バイパス通路１２のバルブ１４を閉塞し、熱交換器１０による加熱を中止し、不凍液をラジエータ１６を介して循環させることにより、燃料電池スタック２を所定の動作温度に維持する制御が行われる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１６４２３３号公報（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の従来技術では、燃料電池スタック２の加熱時において不凍液の温度制御を行っていないため、例えば、不凍液の熱交換器１０への供給量に対して、燃焼器８に供給される水素ガスＨ２および空気Ａｉｒの供給量が多すぎると、燃焼器８で発生した熱によって不凍液の温度が過度に上昇してしまうおそれがある。
【０００９】
不凍液は、ある温度以上になると、熱分解してイオンが発生し、導電率が上昇するため、生成された電流の一部が不凍液側に流れると、利用可能な電力が低下してしまうおそれがある。図８は、不凍液の温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）と導電率との関係を示したもので、不凍液が温度Ｔ３まで加熱された場合、加熱時間の経過に従って導電率が上昇する傾向が現れている。
【００１０】
このような問題を回避するため、例えば、不凍液の通路内にイオン交換樹脂を配設し、発生したイオンをイオン交換樹脂によって吸着分離することにより、不凍液の導電率の上昇を回避することが考えられる。しかしながら、イオン交換樹脂の寿命の関係から、定期的なメンテナンスが必要であり、コストアップとなる不具合がある。
【００１１】
一方、燃焼器８に対する水素ガスＨ２および空気Ａｉｒの供給量を予め制限し、不凍液が過剰に加熱されないようにすることも可能である。しかしながら、反応ガスの供給量を制限すると、不凍液の加熱に要する時間が長くなるため、燃料電池スタック２が所望の動作温度となるまでに長時間を要するという問題が発生する。
【００１２】
また、燃料電池スタック２に供給する不凍液の量を多く設定することにより、不凍液の過剰な加熱を回避するとともに、燃料電池スタック２を所望の動作温度まで迅速に加熱することも考えられる。しかしながら、不凍液は、図９に示すように、温度が低くなると、点線で示す水の場合と比較して粘性係数が著しく上昇する特性を有しているため、例えば、低温状態において大量の不凍液を燃料電池スタック２に供給しようとすると、ポンプ６に過大な負荷が掛かってしまう。従って、ポンプ６の寿命が短縮されてしまう問題がある。なお、ポンプ６を過大な負荷で運転するには、多大な消費電力が必要であり、特に、このような燃料電池スタック２を自動車に搭載する場合、バッテリに蓄電した電力を用いて暖機運転を十分に行うことができなくなってしまうおそれがある。
【００１３】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、低温時において燃料電池を所望の動作温度まで効率的に加熱することができるとともに、安価で長寿命化を容易に達成することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の温度を調整する熱交換媒体が循環する循環路と、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を循環させるポンプと、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を加熱する加熱部と、
前記熱交換媒体の温度を検出する温度検出部と、
前記ポンプの負荷を検出する負荷検出部と、
前記温度を規定値以下の範囲とし、前記加熱部を制御して前記熱交換媒体を加熱させる一方、前記負荷を規定値以下の範囲とし、前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加させる制御部と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項１記載の本発明では、特に低温時において、負荷検出部によりポンプの負荷を検出し、負荷を規定値以下の範囲としてポンプを制御し、熱交換媒体の流量を増加させ、循環路から加熱部を介して燃料電池に供給する。一方、温度検出部により熱交換媒体の温度を検出し、温度を規定値以下の範囲として加熱部を制御し、熱交換媒体を加熱する。この場合、ポンプが過負荷状態とならない範囲で、且つ、熱交換媒体が過剰に加熱されない範囲において、十分に加熱された十分な量の熱交換媒体が燃料電池に供給され、燃料電池が効率的に加熱されて動作可能な状態となる。
【００１６】
請求項２記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の温度を調整する熱交換媒体が循環する循環路と、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を循環させるポンプと、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を加熱する加熱部と、
前記熱交換媒体の導電率を検出する導電率検出部と、
前記ポンプの負荷を検出する負荷検出部と、
前記導電率を規定値以下の範囲とし、前記加熱部を制御して前記熱交換媒体を加熱させる一方、前記負荷を規定値以下の範囲とし、前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加させる制御部と、
を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の本発明では、請求項１における温度検出部に代えて導電率検出部を用い、熱交換媒体の導電率を導電率検出部により検出し、導電率を規定値以下の範囲として加熱部を制御する。この場合、検出した導電率から熱交換媒体が過剰に加熱されているか否かを判断し、導電率に基づいて加熱部を制御し、熱交換媒体を十分に加熱して燃料電池に供給することができる。
【００１８】
請求項３記載の本発明は、請求項１または２記載のシステムにおいて、
前記加熱部は、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを燃焼させることで前記熱交換媒体を加熱する燃焼器を有することを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の本発明では、燃料電池に供給する反応ガスを用いて熱交換媒体を加熱することができる。
【００２０】
請求項４記載の本発明は、請求項１または２記載のシステムにおいて、
前記加熱部は、前記熱交換媒体を加熱する電気ヒータを有することを特徴とする。
【００２１】
請求項５記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池に対し、熱交換媒体を循環させて温度調整を行う燃料電池システムの制御方法において、
前記熱交換媒体の温度を検出するステップと、
前記熱交換媒体を前記燃料電池に供給するポンプの負荷を検出するステップと、
前記温度を規定値以下の範囲として前記熱交換媒体を加熱するステップと、
前記負荷を規定値以下の範囲として前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加するステップと、
からなることを特徴とする。
【００２２】
請求項６記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池に対し、熱交換媒体を循環させて温度調整を行う燃料電池システムの制御方法において、
前記熱交換媒体の導電率を検出するステップと、
前記熱交換媒体を前記燃料電池に供給するポンプの負荷を検出するステップと、
前記導電率を規定値以下の範囲として前記熱交換媒体を加熱するステップと、
前記負荷を規定値以下の範囲とし、前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加するステップと、
からなることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、第１実施形態の燃料電池システム２０を示す。なお、図１において、二重線で示すラインは、流体の流通路を表し、一重線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。
【００２４】
燃料電池システム２０は、燃料ガスである水素ガスＨ２と酸化剤ガスであるエアＡｉｒとが供給されることで負荷電流を生成する燃料電池スタック２２を備える。燃料電池スタック２２には、水素ガスＨ２とエアＡｉｒとの反応によって発生した熱により加熱された燃料電池スタック２２を冷却する一方、低温時において燃料電池スタック２２を所望の動作温度まで加熱するための冷媒（熱交換媒体）が循環する循環路２４が接続される。
【００２５】
循環路２４には、燃料電池スタック２２の出口側に配設され、燃料電池スタック２２で加熱された冷媒を冷却するラジエータ２６と、冷媒を循環させるポンプ２８と、燃料電池スタック２２の入口側に配設され、低温時において冷媒を加熱する熱交換器３０とが接続される。また、ラジエータ２６には、バルブ３２を有し、低温時において冷媒をバイパスさせるバイパス路３４が並列に接続される。
【００２６】
熱交換器３０には、燃焼器３６（加熱部）が一体的に配設される。燃焼器３６は、バルブ３８を介して供給される所定量の水素ガスＨ２と、コンプレッサ４０により供給される所定量のエアＡｉｒとを混合して燃焼させ、その反応熱により熱交換器３０を介して冷媒を加熱する。なお、燃焼器３６に供給する水素ガスＨ２およびエアＡｉｒは、燃料電池スタック２２に供給する水素ガスＨ２およびエアＡｉｒをそのまま流用することができる。
【００２７】
燃料電池スタック２２には、スタック温度を検出する温度センサ４２が接続される。また、循環路２４の燃料電池スタック２２に対する冷媒の入口側には、冷媒温度を検出する温度センサ４４（温度検出部）が接続される。
【００２８】
ポンプ２８は、ポンプ制御部４６によって回転数が制御され、バルブ３２は、バルブ制御部４８によって開閉制御され、バルブ３８は、バルブ制御部５０によって開度が制御され、コンプレッサ４０は、コンプレッサ制御部５２によって回転数が制御される。ポンプ制御部４６、バルブ制御部４８、５０およびコンプレッサ制御部５２は、冷媒供給制御部５８（制御部）によって制御される。
【００２９】
また、ポンプ２８の負荷は、ポンプ負荷センサ５４（負荷検出部）により、ポンプ制御部４６からポンプ２８に供給される電流値またはポンプ２８の回転トルクとして検出され、その検出値が冷媒供給制御部５８に供給される。コンプレッサ４０の負荷は、コンプレッサ負荷センサ５６により、コンプレッサ制御部５２からコンプレッサ４０に供給される電流値またはコンプレッサ４０の回転トルクとして検出され、その検出値が冷媒供給制御部５８に供給される。さらに、冷媒供給制御部５８には、温度センサ４２によって検出されたスタック温度と、温度センサ４４によって検出された冷媒温度とが供給される。
【００３０】
第１実施形態の燃料電池システム２０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、燃料電池スタック２２を所望の動作温度まで加熱する暖機運転時の動作について、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００３１】
先ず、冷媒供給制御部５８は、温度センサ４２によって検出したスタック温度が所望の動作温度（燃料電池スタック２２が最適な状態で運転できる温度）に達しているか否かを判定する（ステップＳ１）。燃料電池システム２０の環境温度が高く、あるいは、燃料電池スタック２２が既に動作温度以上となっている場合、暖機運転を終了し、燃料電池スタック２２による発電を開始する。なお、燃料電池スタック２２と冷媒との熱交換効率は、極めて高いため、温度センサ４２を燃料電池スタック２２からの冷媒の出口側に設け、冷媒の温度をスタック温度として検出するようにしてもよい。
【００３２】
燃料電池スタック２２による発電は、所望の発電量に応じた水素ガスＨ２およびエアＡｉｒを燃料電池スタック２２に供給することで行われる。この場合、発電に伴って発生した熱は、循環路２４を循環する冷媒によって外部に排出される。すなわち、冷媒供給制御部５８は、バルブ制御部４８および５０を制御してバルブ３２、３８を閉じ、また、コンプレッサ制御部５２を制御してコンプレッサ４０の回転を停止させることにより、バイパス路３４を閉塞するとともに、燃焼器３６による冷媒の加熱を停止する。この状態において、ポンプ制御部４６を制御してポンプ２８を回転させることにより冷媒が循環し、燃料電池スタック２２で発生した熱が冷媒を介してラジエータ２６から外部に排出される。
【００３３】
一方、燃料電池システム２０の環境温度が低く、スタック温度が燃料電池スタック２２の動作温度よりも低い場合、冷媒供給制御部５８は、バルブ制御部４８を制御してバルブ３２を開き、循環路２４をバイパス路３４を経由する経路に設定する。
【００３４】
そして、冷媒供給制御部５８は、コンプレッサ制御部５２を制御して、コンプレッサ４０を始動モード初期値で回転させるとともに、バルブ制御部５０を制御して、バルブ３８をコンプレッサ４０の回転数に応じた開度だけ開成する。また、冷媒供給制御部５８は、ポンプ制御部４６を制御して、ポンプ２８を始動モード初期値で回転させる（ステップＳ２）。この場合、始動モード初期値は、コンプレッサ４０およびポンプ２８に掛かる負荷が最も少ない値に設定されている。従って、例えば、燃料電池システム２０の環境温度が氷点下であり、燃焼器３６内で水が凍結してエアＡｉｒを燃焼器３６に十分供給できない状態であっても、コンプレッサ４０に過負荷が掛かるおそれはない。同様に、冷媒の温度が低いために循環路２４内の冷媒の粘性係数が大きく（図９参照）、流動抵抗が大きい状態であっても、ポンプ２８に過負荷が掛かるおそれはない。
【００３５】
燃焼器３６は、コンプレッサ４０によって供給されたエアＡｉｒと、バルブ３８によって流量が制御されて供給された水素ガスＨ２とを触媒上で燃焼させる。なお、燃焼器３６での反応熱の温度は、エアＡｉｒと水素ガスＨ２との混合比によって決まる。エアＡｉｒの流量に対する水素ガスＨ２の流量が大きいと、反応熱の温度が高くなる。通常、エアＡｉｒ／水素ガスＨ２のモル流量比は、１１〜１７の範囲とし、反応熱の温度が５００〜７００℃程度となるように設定する。
【００３６】
ポンプ２８によって供給された冷媒は、熱交換器３０において燃焼器３６で発生した熱によって加熱され、次いで、燃料電池スタック２２に供給されることにより、燃料電池スタック２２を加熱する。
【００３７】
コンプレッサ負荷センサ５６は、コンプレッサ制御部５２からコンプレッサ４０に供給される電流値またはコンプレッサ４０の回転トルクに基づいて負荷を検出し、冷媒供給制御部５８に供給する。冷媒供給制御部５８は、検出されたコンプレッサ４０の負荷を許容値の上限である規定値と比較し（ステップＳ３）、規定値以下であると判定した場合、コンプレッサ制御部５２を制御し、コンプレッサ４０の回転数を増加させる（ステップＳ４）。また、増加したコンプレッサ４０の回転数に応じたバルブ３８の開度を演算し（ステップＳ５）、バルブ制御部５０を制御し、バルブ３８の開度を増加させる（ステップＳ６）。この結果、コンプレッサ４０の負荷を規定値以下に保持した状態で燃焼器３６にエアＡｉｒおよび水素ガスＨ２が供給され、その反応熱によって冷媒が加熱される。
【００３８】
また、ステップＳ３において、コンプレッサ４０の負荷が規定値を超過していると判定された場合、冷媒供給制御部５８は、バルブ制御部５０を制御してバルブ３８の開度を減少させるとともに（ステップＳ７）、コンプレッサ制御部５２を制御してコンプレッサ４０の回転数を減少させる（ステップＳ８）。この結果、コンプレッサ４０の負荷が規定値以下に維持される。
【００３９】
一方、温度センサ４４は、燃料電池スタック２２に供給される冷媒の温度を検出している。冷媒供給制御部５８は、検出された冷媒の温度を許容値の上限である規定温度（規定値）と比較し（ステップＳ９）、規定温度を超過していると判定された場合、ポンプ負荷センサ５４によって検出されたポンプ２８の負荷を許容値の上限である規定値と比較する（ステップＳ１０）。比較の結果、規定値以下と判定された場合には、ポンプ２８の回転に余裕があるため、ポンプ制御部４６を制御してポンプ２８の回転数を増加させる（ステップＳ１１）。なお、ポンプ２８の回転数を増加させて冷媒の流量を増加させることにより、熱交換器３０における冷媒の加熱が抑制される。
【００４０】
また、ステップＳ１０において、ポンプ２８の負荷が規定値を超過していると判定された場合、冷媒供給制御部５８は、バルブ制御部５０を制御してバルブ３８の開度を減少させるとともに（ステップＳ１２）、コンプレッサ制御部５２を制御してコンプレッサ４０の回転数を減少させる（ステップＳ１３）。この結果、燃焼器３６で生成される反応熱の温度が低下し、冷媒の加熱が抑制される。
【００４１】
次いで、冷媒供給制御部５８は、温度センサ４２によって検出しているスタック温度が所望の動作温度に達しているか否かを判定し（ステップＳ１４）、動作温度以上となっている場合には、コンプレッサ４０の回転を停止させるとともにバルブ３８を閉成する（ステップＳ１５）。この結果、冷媒の加熱が停止され、暖機運転が終了する。そして、燃料電池スタック２２による発電が開始される。
【００４２】
図３は、温度センサ４２によって検出されたスタック温度Ｔ（Ａ）および冷媒流量Ｍ（Ａ）の第１実施形態における時間的変化と、冷媒の加熱制御および流量制御を行わない場合であるスタック温度Ｔ（Ｂ）および冷媒流量Ｍ（Ｂ）の図７に示す従来技術における時間的変化とを比較したものである。また、図４は、暖機運転の開始時におけるスタック温度Ｔ（Ａ）が図３の場合よりも高いときの比較結果である。この場合、第１実施形態では、暖機運転を開始してから時間ｔ１（ｔ２）で所望の動作温度Ｔ０に到達しているの対して、従来技術では所望の動作温度Ｔ０に到達するまでにかなりの時間ｔ１′（ｔ２′）（ｔ１≪ｔ１′、ｔ２≪ｔ２′）を要している。
【００４３】
このように、第１実施形態の燃料電池システム２０では、燃焼器３６に対してエアＡｉｒを供給するコンプレッサ４０や、冷媒を循環させるポンプ２８に過負荷が掛からない範囲で冷媒が効率的に加熱されるため、燃料電池スタック２２の暖機運転を速やかに終了させることができる。
【００４４】
図５は、第２実施形態の燃料電池システム６０を示す。なお、図１に示す第１実施形態の燃料電池システム２０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００４５】
循環路２４には、燃料電池スタック２２の入口側に配設され、低温時において冷媒を加熱する電気ヒータ６２と、燃料電池スタック２２の入口側に配設され、冷媒の導電率を検出する導電率センサ６４（導電率検出部）と、燃料電池スタック２２の出口側に配設され、冷媒の温度を検出する温度センサ６６とが接続される。
【００４６】
冷媒供給制御部６８（制御部）は、バルブ３２を制御するバルブ制御部４８を制御するとともに、ポンプ負荷センサ５４、導電率センサ６４および温度センサ６６による検出値に基づき、ポンプ制御部４６およびヒータ制御部７０を制御する。
【００４７】
次に、第２実施形態の燃料電池システム６０の燃料電池スタック２２を所望の動作温度まで加熱する暖機運転時の動作について、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００４８】
先ず、冷媒供給制御部６８は、温度センサ６６によって検出している冷媒の温度を燃料電池スタック２２のスタック温度と見なし、このスタック温度が所望の動作温度に達しているか否かを判定する（ステップＳ２１）。燃料電池システム６０の環境温度が高く、あるいは、燃料電池スタック２２が既に動作温度以上となっている場合、暖機運転を終了し、燃料電池スタック２２による発電を開始する。
【００４９】
一方、燃料電池システム６０の環境温度が低く、スタック温度が燃料電池スタック２２の動作温度よりも低い場合、冷媒供給制御部６８は、バルブ制御部４８を制御してバルブ３２を開き、循環路２４をバイパス路３４を経由する経路に設定する。そして、冷媒供給制御部６８は、ヒータ制御部７０を制御して、電気ヒータ６２を始動モード初期値で駆動するとともに、ポンプ制御部４６を制御して、ポンプ２８を始動モード初期値で回転させる（ステップＳ２２）。
【００５０】
次いで、冷媒供給制御部６８は、ヒータ制御部７０を制御し、電気ヒータ６２による発熱量を増加させる（ステップＳ２３）。また、冷媒供給制御部６８は、導電率センサ６４により検出した冷媒の導電率を許容値の上限である規定値と比較する（ステップＳ２４）。なお、冷媒の導電率は、図８に示すように、冷媒の温度に依存して変動する物理量であるため、冷媒温度に代えて冷媒の流動性や冷媒の状態を検知することができる。
【００５１】
導電率が規定値を超過していると判定された場合、ポンプ負荷センサ５４によって検出されたポンプ２８の負荷を許容値の上限である規定値と比較する（ステップＳ２５）。比較の結果、規定値以下と判定された場合には、ポンプ２８の回転に余裕があるため、ポンプ制御部４６を制御してポンプ２８の回転数を増加させる（ステップＳ２６）。
【００５２】
また、ステップＳ２５において、ポンプ２８の負荷が規定値を超過していると判定された場合、冷媒供給制御部６８は、ヒータ制御部７０を制御して電気ヒータ６２による発熱量を減少させる（ステップＳ２７）。この結果、冷媒の加熱が抑制される。
【００５３】
次いで、冷媒供給制御部６８は、温度センサ６６によって検出しているスタック温度が所望の動作温度に達しているか否かを判定し（ステップＳ２８）、動作温度以上となっている場合には、電気ヒータ６２の駆動を停止させる（ステップＳ２９）。この結果、冷媒の加熱が停止され、暖機運転が終了する。そして、燃料電池スタック２２による発電が開始可能な状態となる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、熱交換媒体を燃料電池に供給するポンプの負荷を検出し、許容範囲内の負荷でポンプを制御して流量を増加させるとともに、前記熱交換媒体を許容範囲内の温度で加熱して燃料電池に供給することにより、燃料電池を所望の動作温度まで効率的に加熱することができる。従って、特に低温時において、燃料電池を迅速に動作開始させることができる。また、熱交換媒体を循環させるポンプが過負荷状態になることがなく、安価で長寿命化を容易に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池システムの暖機運転のフローチャートである。
【図３】第１実施形態における暖機運転でのスタック温度の時間的変化を従来技術と比較した説明図である。
【図４】暖機運転開始時の温度が図３の場合よりも高い場合におけるスタック温度の時間的変化を従来技術と比較した説明図である。
【図５】第２実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図６】第２実施形態における燃料電池システムの暖機運転のフローチャートである。
【図７】従来技術の燃料電池システムの構成図である。
【図８】不凍液の温度と導電率との関係説明図である。
【図９】不凍液の温度と粘性係数との関係説明図である。
【符号の説明】
２０、６０…燃料電池システム ２２…燃料電池スタック
２４…循環路 ２６…ラジエータ
２８…ポンプ ３０…熱交換器
３２、３８…バルブ ３４…バイパス路
３６…燃焼器 ４０…コンプレッサ
４２、４４、６６…温度センサ ４６…ポンプ制御部
４８、５０…バルブ制御部 ５２…コンプレッサ制御部
５４…ポンプ負荷センサ ５６…コンプレッサ負荷センサ
５８、６８…冷媒供給制御部 ６２…電気ヒータ
６４…導電率センサ ７０…ヒータ制御部
Claims (6)
- 燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の温度を調整する熱交換媒体が循環する循環路と、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を循環させるポンプと、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を加熱する加熱部と、
前記熱交換媒体の温度を検出する温度検出部と、
前記ポンプの負荷を検出する負荷検出部と、
前記温度を規定値以下の範囲とし、前記加熱部を制御して前記熱交換媒体を加熱させる一方、前記負荷を規定値以下の範囲とし、前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加させる制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の温度を調整する熱交換媒体が循環する循環路と、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を循環させるポンプと、
前記循環路に配設され、前記熱交換媒体を加熱する加熱部と、
前記熱交換媒体の導電率を検出する導電率検出部と、
前記ポンプの負荷を検出する負荷検出部と、
前記導電率を規定値以下の範囲とし、前記加熱部を制御して前記熱交換媒体を加熱させる一方、前記負荷を規定値以下の範囲とし、前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加させる制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１または２記載のシステムにおいて、
前記加熱部は、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを燃焼させることで前記熱交換媒体を加熱する燃焼器を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１または２記載のシステムにおいて、
前記加熱部は、前記熱交換媒体を加熱する電気ヒータを有することを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池に対し、熱交換媒体を循環させて温度調整を行う燃料電池システムの制御方法において、
前記熱交換媒体の温度を検出するステップと、
前記熱交換媒体を前記燃料電池に供給するポンプの負荷を検出するステップと、
前記温度を規定値以下の範囲として前記熱交換媒体を加熱するステップと、
前記負荷を規定値以下の範囲とし、前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加するステップと、
からなることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池に対し、熱交換媒体を循環させて温度調整を行う燃料電池システムの制御方法において、
前記熱交換媒体の導電率を検出するステップと、
前記熱交換媒体を前記燃料電池に供給するポンプの負荷を検出するステップと、
前記導電率を規定値以下の範囲として前記熱交換媒体を加熱するステップと、
前記負荷を規定値以下の範囲とし、前記ポンプを制御して前記熱交換媒体の流量を増加するステップと、
からなることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
Priority Applications (1)
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